動(dòng)壓巷道錨桿條帶碹支護(hù)技術(shù)研究與應(yīng)用

劉文偉

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司，山西 晉中 030600）

1 工程概況

1.1 9號(hào)煤輔運(yùn)大巷地質(zhì)概況

陽(yáng)煤集團(tuán)新元礦9號(hào)煤層輔運(yùn)大巷位于南燕竹以南，冀家垴以西，韓莊以北，蘭垴村、宋家灣以東，其上部為3號(hào)煤層（現(xiàn)已采空）。由井下鉆孔揭露情況來(lái)看，由于9號(hào)煤層與8下號(hào)煤層相距較近且多數(shù)區(qū)域發(fā)生合并，因此合并為9號(hào)煤層進(jìn)行開采，其厚度為4.2～6.2m之間，均厚5.2m，煤層間含有夾矸2層。煤層上覆頂板主要為泥巖及砂質(zhì)泥巖互層，煤層底板主要為泥巖及砂質(zhì)泥巖互層、局部區(qū)域?yàn)榉凵皫r。

1.2 支護(hù)現(xiàn)狀及存在問題

9號(hào)煤輔運(yùn)大巷原設(shè)計(jì)支護(hù)橫斷面見圖1。

由圖1可知，9號(hào)煤層輔運(yùn)大巷采用矩形斷面，其掘進(jìn)寬度為5600mm、掘進(jìn)高度為4500mm，采用錨桿錨索聯(lián)合支護(hù)方式，屬于大斷面巷道。該巷道所處區(qū)域水平應(yīng)力相對(duì)較高，在高應(yīng)力作用下，巷道圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重變形，頂?shù)装寮皟蓭途冃屋^大，局部區(qū)域兩幫累計(jì)水平位移量可達(dá)到1800mm，頂?shù)纂x層變形量可達(dá)到500mm，已經(jīng)無(wú)法滿足正常生產(chǎn)需求使用。在期使用年限內(nèi)已進(jìn)行多次整修，整修巷道浪費(fèi)大量人力物力，不僅增加開采成本，同時(shí)對(duì)9號(hào)煤層的正常采掘活動(dòng)影響巨大。

圖1 9號(hào)煤輔運(yùn)大巷支護(hù)示意圖

2 錨桿條帶碹支護(hù)機(jī)理與技術(shù)

2.1 錨桿條帶碹支護(hù)機(jī)理

針對(duì)9號(hào)煤輔運(yùn)大巷原有支護(hù)設(shè)計(jì)及補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)無(wú)法滿足要求的現(xiàn)狀，項(xiàng)目組提出了錨桿條帶碹支護(hù)的支護(hù)方案。

混凝土砌碹支護(hù)具有支護(hù)強(qiáng)度高、服務(wù)年限長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是傳統(tǒng)混凝土砌碹支護(hù)需要制作碹胎，以固定混凝土模板，碹胎不僅施工復(fù)雜，施工速度慢，而且占用了巷道空間，影響巷道正常掘進(jìn)或使用。西安科技大學(xué)王曉利教授發(fā)明了一次性可彎曲柔性模板，不僅簡(jiǎn)化了模板固定工藝，而且實(shí)現(xiàn)了錨桿-混凝土碹聯(lián)合支護(hù)，其作用機(jī)理如下：

1）通過錨桿將柔模混凝土碹體與圍巖組合為整體，碹體與圍巖充分耦合，構(gòu)建錨桿與混凝土碹體聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，如圖2所示。

圖2 錨桿條帶碹支護(hù)結(jié)構(gòu)

2）錨桿改變了碹體的支承方式，顯著提高了碹體的穩(wěn)定性，并對(duì)其施加了徑向作用力，減少了碹體環(huán)向應(yīng)力，同等支護(hù)強(qiáng)度下碹體厚度可減少15%～20%，為降低碹體厚度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和施工難度提供了理論依據(jù)。

3）碹體將單個(gè)錨桿組合在一起，均衡了各錨桿受力，充分發(fā)揮了錨桿的群體支護(hù)作用，提高了錨桿的支護(hù)效果，并對(duì)錨桿施加橫向支護(hù)力，支護(hù)圍巖免壓區(qū)，有效控制圍巖變形破壞。

4）采用柔模替代了剛性模板，并發(fā)明了錨桿懸吊混凝土模板技術(shù)，增加了巷道施工空間，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)，比傳統(tǒng)混凝土砌碹速度快3倍以上。

2.2 錨桿條帶碹支護(hù)技術(shù)

錨桿條帶碹的核心支護(hù)理念為：先柔后剛、剛?cè)岵⑴e、抗讓結(jié)合，即對(duì)巷道的支護(hù)分為兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段支護(hù)在巷道開外初期，全斷面采用“錨網(wǎng)噴”支護(hù)，在初期支護(hù)完成后進(jìn)行第二階段柔?；炷另垠w支護(hù)。

2.2.1 初期支護(hù)設(shè)計(jì)

1）錨桿支護(hù)參數(shù)。錨桿選用直徑為22mm、長(zhǎng)度為2400mm的左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)度螺紋鋼錨桿，其極限拉斷力為255kN，采用全斷面垂直于巷道斷面布置方式，間排距為800×800mm，每排共計(jì)布置21根錨桿。錨桿安裝預(yù)緊力再400～500N·m之間，每根錨桿配合MSK2335型和MSZ2360型樹脂錨固劑各一支。錨桿輔助支護(hù)材料為W鋼護(hù)板及穹形托板，W鋼帶為矩形斷面，其長(zhǎng)、寬、高分別為460mm、300mm、4mm；托盤為150mm正方形斷面，其厚度為36mm，其極限承載能力要大于錨桿尾部螺紋的極限抗拉強(qiáng)度。巷道斷面所使用的鋼筋網(wǎng)選用直徑為6.5mm的圓鋼，編織為100mm的矩形孔，網(wǎng)片長(zhǎng)度為5000mm、寬度為1000mm。

2）噴射混凝土支護(hù)參數(shù)。在對(duì)巷道全斷面錨桿支護(hù)完成后，沿巷道圍巖表面進(jìn)行混凝土噴漿工作，選用C20混凝土，噴層厚度不低于100mm，噴射混凝土不僅可將處理巷道欠挖區(qū)域，使巷道表面平整，同時(shí)可以使巷道圍巖應(yīng)力分布均勻，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，為碹體支護(hù)進(jìn)行初期鋪墊。

2.2.2 后期柔?；炷另垠w支護(hù)設(shè)計(jì)

初期支護(hù)完成后，進(jìn)行柔?；炷另垠w支護(hù)，條帶碹體澆筑位置為相鄰兩排錨桿間，碹體寬度為1600mm、厚度為250mm，相鄰兩組碹體間距為800mm作卸壓使用。巷道底板混凝土澆筑厚度不小于500mm，以滿足柔模混凝土碹體不小于500mm的插底要求，巷道內(nèi)側(cè)碹體及底板混凝土共同作用對(duì)巷道圍巖起到支撐作用。

2.2.3 柔性模板固定技術(shù)

柔性模板采用三維紡織結(jié)構(gòu)，待巷道初次錨網(wǎng)噴支護(hù)完成后進(jìn)行掛模作業(yè)，通過周邊打設(shè)的錨桿將其固定，隨后在其中注入混凝土，帶混凝土凝固穩(wěn)定后，最終形成錨桿條帶碹支護(hù)結(jié)構(gòu)體。

錨桿選用直徑為20mm、長(zhǎng)度為1400mm的左旋無(wú)縱筋高強(qiáng)螺紋鋼錨桿，間排距為800×800mm，全斷面垂直于巷道圍巖打設(shè)錨桿共計(jì)22根，桿體伸入圍巖1000mm，桿體外露400mm。由于初期支護(hù)時(shí)已進(jìn)行了錨桿支護(hù)，為了防止該錨桿打設(shè)過程中遇到錨桿（索）托板，造成該錨桿無(wú)法施工，要求該錨桿與初期支護(hù)錨桿的橫縱向位置各錯(cuò)開400mm。每根錨桿使用1支Z2360型錨固劑加長(zhǎng)錨固。柔模混凝土碹體澆筑成型并養(yǎng)護(hù)28d后，給錨桿施加預(yù)緊力矩，預(yù)緊力矩不小于150N.m。錨桿配合150×150×36mm的穹形托板共同使用，鋼材強(qiáng)度不低于Q235。

鋼筋網(wǎng)：柔?；炷另垠w表面鋪設(shè)Φ8mm圓鋼焊接而成的鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)片寬度宜為1700mm，每張網(wǎng)片長(zhǎng)度一般為4400mm，網(wǎng)孔規(guī)格為100×100mm；網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度不應(yīng)小于100mm，并采用10號(hào)鐵絲雙絲雙扣，孔孔相聯(lián)。

鋼筋梯子梁：每排錨桿采用Φ12mm圓鋼焊接而成的鋼筋梯進(jìn)行環(huán)向組合，鋼筋梯寬度為80mm；在布設(shè)錨桿處焊接卡欄，卡欄間距為800mm，錨桿需安裝在卡欄內(nèi)。錨桿條帶碹支護(hù)橫斷面見圖3。

2.2.4 仰拱支護(hù)設(shè)計(jì)

條帶碹體為環(huán)形結(jié)構(gòu)，為使其整體受力狀態(tài)更好，同時(shí)方便無(wú)軌膠輪車在井下的運(yùn)行，對(duì)巷道底板進(jìn)行混凝土仰拱澆筑工作，選用C30混凝土，仰拱澆筑形狀為弧形，靠近巷道底角側(cè)澆筑厚度為500mm，底板中心處澆筑厚度為1000mm。

圖3 錨桿條帶碹支護(hù)橫斷面

3 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)效果

圖4 巷道圍巖變形曲線

對(duì)9號(hào)煤輔運(yùn)大巷采用錨桿條帶碹方案返修支護(hù)后，對(duì)巷道圍巖頂?shù)装寮磧蓭妥冃芜M(jìn)行監(jiān)測(cè)，繪制如圖4所示的巷道圍巖變形曲線。由圖可知，不論是巷道兩幫還是頂?shù)装鍑鷰r變形主要出現(xiàn)在巷道返修支護(hù)后的初期，即巷道支護(hù)后的10～20d范圍內(nèi)，此后巷道圍巖變形趨于緩慢直至最終穩(wěn)定，巷道圍巖變形穩(wěn)定后，兩幫累計(jì)移近量為24mm，頂?shù)装謇垡平繛?2mm，巷道返修支護(hù)后較使用原支護(hù)方案的回風(fēng)石門段相比較，巷道頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r變形量均得到大幅減小，表明該方法可以有效緩解巷道圍巖的應(yīng)力環(huán)境，巷道圍巖的整體性及穩(wěn)定性得到提升，為錨桿及錨索提供穩(wěn)定著力點(diǎn)，錨固強(qiáng)度得到提高，有效控制了巷道圍巖的變形。

4 結(jié)論

1）針對(duì)新元礦9號(hào)煤輔運(yùn)大巷圍巖破碎需多次返修支護(hù)現(xiàn)狀，采用錨桿條帶碹支護(hù)理念返修支護(hù)的巷道，巷道初期支護(hù)采用“錨網(wǎng)噴”聯(lián)合支護(hù)，后期支護(hù)采用柔?；炷另垠w支護(hù)，錨固區(qū)破碎圍巖得到有效固結(jié)，使錨索預(yù)應(yīng)力有效擴(kuò)散，進(jìn)而有效發(fā)揮錨索的主動(dòng)支護(hù)作用。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與觀測(cè)，在采動(dòng)影響下巷道圍巖變形量明顯減小，圍巖承載能力得到充分發(fā)揮，表明該種形式的支護(hù)技術(shù)對(duì)動(dòng)壓影響巷道有較好的支護(hù)效果。

2）錨桿條帶碹支護(hù)作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，在錨索結(jié)構(gòu)補(bǔ)償力作用下，支架被束縛在有限的變形空間，而其余大變形通過柔?；炷另垠w釋放，實(shí)現(xiàn)了錨桿條帶碹支護(hù)高阻可縮的特性。